Μαγνήτες από φως δημιουργούν Έλληνες ερευνητές. Femtosecond switching of magnetism via strongly correlated spin–charge quantum excitations

Magnetic structure in a colossal magneto-resistive manganite is switched from antiferromagnetic to ferromagnetic ordering during about 100 femtosecond laser pulse photo-excitation (credit: DOE Ames Laboratory)

Ένα νέο τρόπο για να δημιουργήσουν μικρούς μαγνήτες χρησιμοποιώντας φως, ανακάλυψαν Έλληνες ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Κρήτης και το Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ), σε συνεργασία με αμερικανούς επιστήμονες από το Ερευνητικό Κέντρο Ames. Χάρη στα κβαντικά «παιχνίδια» με το φώς, οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές και οι άλλες συσκευές μπορεί να έχουν πολύ πιο γρήγορα μαγνητικά μέσα (μνήμες και σκληρούς δίσκους) στο μέλλον και έτσι θα μπορούν να «σκέφτονται» εξίσου πιο γρήγορα.

A three-dimensional view demonstrating the distinct femtosecond spin and charge dynamics as well as photo-excitation threshold behaviour. Researchers at the U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory, Iowa State University, and the University of Crete in Greece have found a new way to switch magnetism that is at least 1000 times faster than currently used in magnetic memory technologies.

Η ανακάλυψη του φαινομένου του λεγόμενου «Κβαντικού Φεμτο-Μαγνητισμού» έγινε από την ερευνητική ομάδα του καθηγητή Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης και του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του ΙΤΕ Ηλία Περάκη, σε συνεργασία με την ομάδα του επίκουρου καθηγητή Φυσικής του Πανεπιστημίου της Αϊόβα και του Εργαστηρίου Ames των ΗΠΑ Jigang Wang και δημοσιεύτηκε στο διεθνούς κύρους περιοδικό «Nature».

Η νέα έρευνα στο πεδίο της μαγνητο-οπτικής τεχνολογίας ανοίγει πλέον το δρόμο για τη δημιουργία συσκευών που θα λειτουργούν 1.000 φορές γρηγορότερα, με ταχύτητες τουλάχιστον 10 terahertz (1.012 hertz) αντί για 10 gigahertz (109 hertz) όπως συμβαίνει μέχρι σήμερα.

Φωτίζοντας οξείδια του μαγγανίου με υπερ-βραχείς παλμούς λέιζερ, οι ερευνητές κατάφεραν μέσα σε ένα δισεκατομμυριοστό του χιλιοστού του δεκάτου του δευτερολέπτου (100 φεμτο-δευτερόλεπτα) να αλλάξουν τη μαγνητική τους κατάσταση από αντιφερρομαγνήτη σε φερρομαγνήτη. Με αυτό τον τρόπο, κατόρθωσαν να μαγνητίσουν την ύλη με ταχύτητα 1.000 φορές μεγαλύτερη από αυτή στις πιο γρήγορες σημερινές μαγνητικές μνήμες ηλεκτρονικών υπολογιστών.

Αυτού του είδους οι γρήγορες αλλαγές της μαγνητικής κατάστασης αποτελούν τη βάση ενός «μαγνητικού διακόπτη», με ευρείες εφαρμογές από γρήγορες μνήμες και σκληρούς δίσκους μέχρι τη συλλογή ενέργειας με μελλοντικά φωτοβολταϊκά συστήματα.

«Μια από τις προκλήσεις που αντιμετωπίζει η υλοποίηση της μαγνητικής εγγραφής, ανάγνωσης, αποθήκευσης, και επεξεργασίας δεδομένων, είναι η ταχύτητα. Η τεχνολογία επιτάσσει η σημερινή ταχύτητα να αυξηθεί κατά μερικές τάξεις μεγέθους, σε πολλά terahertz. Στο μέλλον, τέτοιες συσκευές θα πρέπει να ‘σκέφτονται’ μέσα σε απίστευτα μικρούς χρόνους μερικών φεμτο-δευτερολέπτων, δηλαδή μέσα σε δισεκατομμυριοστά του χιλιοστού του δεκάτου του δευτερολέπτου. Εμείς δείξαμε ότι μπορούν να το πετύχουν, αν τις μάθουμε κβαντομηχανική και τις φωτίσουμε με υπερ-βραχείς παλμούς φωτός λέιζερ», δήλωσε ο κ. Περάκης, σύμφωνα με ανακοίνωση του ΙΤΕ.

A quantum many-body scheme for femtosecond switching of magnetism and ultrafast photo-induced spin dynamics in Pr0.7Ca0.3MnO3.

Η πειραματική επιβεβαίωση της παραπάνω ιδέας έγινε από την ομάδα του Jigang Wang στο Εργαστήριο Ames του υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, με βάση τη θεωρία που ανέπτυξε η ελληνική επιστημονική ομάδα στην Κρήτη.

Perakis Ilias Professor & Chairman of the Department of Materials Science.

«Τα αποτελέσματά μας ανοίγουν ένα νέο δρόμο, που μπορεί να οδηγήσει την τεχνολογία να επιτύχει το άνω επιτρεπτό όριο ταχύτητας επεξεργασίας της πληροφορίας. Αυτό είναι μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της σπιντρονικής, δηλαδή της νέας τεχνολογίας που θα βασίζεται στο ‘σπιν’, αντί στο φορτίο του ηλεκτρονίου, όπως οι σημερινές ηλεκτρονικές συσκευές», τόνισε ο κ. Περάκης.